close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000100143

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
А Н Д Р Е Е В Павел Геннадьевич
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕОТРАЖАТЕЛЕЙ
РАДИОЛУЧЕВЫХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ
Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ПЕНЗА 2005
Работа выполнена в Пензенском государственном университете
на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры».
Научный руководитель - доктор технических наук,
доцент Якимов А. Н.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Макарычев I L П.;
доктор технических наук,
доцент Сальников И. И.
Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное
предприятие ПО «Старт».
Защита диссертации состоится «
»
2005 г.,
в «
» часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.04
в Пензенском государственном университете по адресу: 440026,
г. Пенза, ул. Красная, 40.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского
государственного университета.
Автореферат разослан «
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор
»
2005 г.
Смогунов В. В.
QL^O^^H
5i^9^S6e
A<^SOG
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В условиях конкурентной борьбы, усиления
террористической угрозы деятельность особо важных промышлен­
ных объектов невозможна без обеспечения их комплексной безопас­
ности. Перспективным направлением в разработке таких систем яв­
ляется использование радиолучевых методов обнаружения. Однако и
в системах обнаружения, использующих эти методы, до настоящего
времени существует ряд проблем, привлекающих внимание ученых и
являющихся предметом их дискуссий: необходимость учета сложной
структуры используемого электромагнитного поля в промежуточной
зоне излучения, характерной для таких систем, значительное влияние
подстилающей поверхности Земли, образование зон потенциального
пропуска цели и др.
Отсутствие адекватных математических моделей рассматривае­
мых систем не позволяет исследовать их характеристики на этапе
проектирования. В связи с этим особую актуальность приобретают
построение математических моделей радиолучевых систем и их ком­
понентов с учетом особенностей распространения электромагнитных
волн на фоне земной поверхности, а также исследование таких сис­
тем с помощью этих моделей.
Наибольший вклад в решение проблем математического модели­
рования излучения, рассеяния и распространения электромагнитных
волн внесли Л. Д. Бахрах, А. Б. Борзов, Р. П. Быстрое, Д. И. Воск­
ресенский, В. В. Никольский, Р. В. Островитянов, Ю. Г. Смирнов,
А. В. Соколов, Л. А. Школьный и другие ученые.
Успехи в области вычислительной техники, численных методов и
математического моделирования позволяют найти принципиально
новые подходы к развитию методов моделирования и существующих
математических моделей, что позволяет провести оптимизацию кон­
струкций исследуемых изделий на этапе их проектирования.
Цель диссертационной работы. Работа посвящена созданию ма­
тематических моделей переотражателей электромагнитных волн с
учетом влияния земной поверхности и оптимизации их конструкций
и пространственного размещения в радиолучевых системах обнару­
жения, работающих в конкретных условиях эксплуатации.
РОС. НАЦИОНЛ.ЧЬН -БИБЛИОТЕКА
в соответствии с целью работы при проведении теоретических
и экспериментальных исследований решены следующие задачи:
- проведено моделирование системы обнаружения радиолучевого
типа с переотражателем для исследования и оптимизации ее характе­
ристик с учетом влияния поверхности Земли;
-разработана математическая модель переотражателя как про­
странственно-распределенного объекта для исследования его харак­
теристик рассеяния для расширенного интервала углов падения,
включая углы близкие к 90°;
- предложены алгоритмы, критерий оптимизации геометрических
размеров и условие выбора пространственного размещения плоского
прямоугольного переотражателя, работающего в составе радиолуче­
вой системы обнаружения;
- с использованием разработанных моделей и алгоритмов опре­
делены оптимальные геометрические размеры и пространствен­
ное размещение плоского прямоугольного переотражателя для ре­
ально действующей радиолучевой системы охраны периметров
РЛД94УМ-150-18-П.
Предметом исследования являются методы моделирования рас­
пространения и переотражения электромагнитных волн на фоне от­
ражений от земной поверхности и возможности оптимизации конст­
рукций и пространственного положения переотражателей в радиолу­
чевых системах обнаружения.
Методы исследований. При проведении исследований использо­
вались положения теории электромагнитных полей, электродинамики
и распространения радиоволн; методы вычислительной математики.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Представленная математическая модель распространения элек­
тромагнитных волн в системе обнаружения радиолучевого типа по­
зволяет учесть пространственно-распределенный характер переотра­
жателя и подстилающей поверхности Земли.
2. Разработанная математическая модель переотражателя позво­
ляет определить его характеристики рассеяния для расширенного
интервала углов падения волны на поверхность, включая углы, близ­
кие к 90°, с учетом вторичной дифракции.
3. Предложенные модели, алгоритмы и критерий оптимизации по­
зволяют определить оптимальные геометрические размеры и про-
странственное размещение плоского прямоугольного переотражате­
ля в составе радиолучевой системы обнаружения с учетом простран­
ственно-распределенного характера поверхности переотражателя и
подстилающей поверхности Земли.
4. Проведенные исследования влияния амплитудно-фазовой
структуры поля у переотражателя на его характеристику рассеяния
показали: из-за сильного влияния земной поверхности в пределах
первой зоны Френеля возникает существенная неравномерность ам­
плитуды, которую необходимо учитывать; при изменении фазы в
пределах поверхности переотражателя на я , возникающем вне пер­
вой зоны Френеля, увеличение его размеров не приводит к сущест­
венному росту уровня сигнала в приемнике системы обнаружения.
Практическая значимость материалов диссертации состоит в
использовании разработанных моделей, методик, алгоритмов и ре­
зультатов исследования для решения задач проектирования конст­
рукций переотражателей радиолучевых систем обнаружения, отве­
чающих эксплуатационным требованиям, применение которых по­
зволяет повысить эффективность охраны объектов.
Реализация и внедрение результатов. Исследования проводи­
лись на кафедре «Конструирование и производство радиоаппарату­
ры» Пензенского государственного университета в рамках госбюд­
жетных тематик.
Материалы диссертации нашли практическую реализацию при
выполнении инициативной НИР, гранта и ряда работ на передачу
документации по договорам о творческом сотрудничестве.
Результаты диссертационной работы в виде математических мо­
делей, рекомендаций по оптимизации конструкций переотражателей
и их оптимальному пространственному размещению внедрены в
ДГУП Научно-исследовательский и конструкторский институт
радиоэлектронной техники (НИКИРЭТ) Ф Г У П «СНПО «Элерон»
(г. Заречный, Пензенская область).
Разработанные в диссертации модели и алгоритмы используются
в учебном процессе кафедры «Конструирование и производство ра­
диоаппаратуры» Пензенского государственного университета при
подготовке студентов специальности «Проектирование и технология
радиоэлектронных средств» по дисциплине «Техническая электро­
динамика».
Н а защиту в ы н о с я т с я следующие положения:
- математическая модель радиолучевой системы обнаружения с
переотражателем, позволяющая определить коэффищ1ент ретрансля­
ции сигнала переотражателем с учетом влияния поверхности Земли;
- пространственно-распределенная математическая модель пере­
отражателя, позволяющая определить характеристики рассеяния
плоского прямоугольного переотражателя с учетом вторичной ди­
фракции для расширенного интервала углов падения, включая углы,
близкие к 90°;
- критерий оптимизации геометрических размеров плоского пря­
моугольного переотражателя электромагнитных волн, методика и
алгоритм выбора его пространственного размещения относительно
земной поверхности, антенн передатчика и приемника радиолучевой
системы обнаружения;
-результаты исследований влияния параметров конструкции
плоского прямоугольного переотражателя на характеристики радио­
лучевой системы охраны периметров Р Л Д 94 УМ-150-18-П с исполь­
зованием разработанных моделей и алгоритмов, учитывающих про­
странственно-распределенный характер переотражателя и земгюй
поверхности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной ра­
боты докладывались и обсуждались на Международной научнотехнической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспе­
чения надежности и качества приборов, устройств и систем»
(г. Пенза, 1998); Всероссийской с международным участием научнотехнической конференции молодых ученых и студентов «Современ­
ные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 1998); Междуна­
родном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2000-2002);
Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Техни­
ческие средства охраны, комплексы охранной сигнализации и систе­
мы управления доступом» (г. Заречный, Пензенская область, 2000);
Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Совре­
менные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических сис­
тем» (г. Ульяновск, 2001); Третьей Всероссийской научно-практичес­
кой конференции «Современные охранные технологии и средства
обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Заречный,
Пензенская область, 2002); Международном юбилейном симпозиуме
«Актуальные проблемы науки и образования» (г. Пенза, 2003);
V Всероссийской научно-технической конференции «Современные
охранные технологии и средства обеспечения безопасности объек­
тов» (г. Пенза - г. Заречный, Пензенская область, 2004); Междуна­
родном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2004-2005).
П у б л и к а ц и и . По теме диссертации опубликована 21 печатная
работа.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка использованной литера­
туры (111 наименований) и приложения. Объем работы: 249 страниц
основного машинописного текста, включающего 77 рисунков и
8 таблиц, приложение на 4 страницах.
Автор признателен коллективу кафедры «Конструирование и
производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного уни­
верситета за оказанную поддержку в работе над диссертацией, а кан­
дидату технических наук, доценту И. В. Романчеву - за консульти­
рование по четвертой главе диссертации.
СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
В о введении обоснована актуальность разработки моделей, алго­
ритмов и методик, позволяющих оптимизировать конструкции пере­
отражателей и выбрать их пространственное размещение между ан­
теннами передатчика и приемника радиолучевых систем обнаруже­
ния, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, изло­
жены полученные результаты, показана практическая значимость
работы, приведены сведения об использовании результатов работы,
ее апробации и публикациях.
В первой главе рассматриваются особенности радиолучевых сис­
тем обнаружения, работающих как самостоятельно, так и в составе
интегрированных систем безопасности. Дана сравнительная оценка
радиолучевых систем охраны периметров и других систем охраны.
Рассмотрены основные проблемы и указаны возможные пути их ре­
шения. Обоснована необходимость создания математических моде­
лей, позволяющих решить задачи оптимизации конструкций переот­
ражателей и их пространственного размещения, а также повысить
эффективность проектирования и эксплуатации радиолучевых сис­
тем обнаружения.
Дана сравнительная оценка методов моделирования переотража­
телей, и намечены пути решения поставленных задач.
Традиционно для обеспечения охраны участка периметра объекта
используются два комплекта оборудования радиолучевой системы
обнаружения, служащих для передачи и приема электромагнитных
волн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Использование пере­
отражателя электромагнитных полей позволяет значительно сокра­
тить количество комплектов оборудования на единицу длины пери­
метра охраняемого объекта, а также уменьшить размеры зон потен­
циального пропуска цели, возникающих из-за недостаточного уровня
электромагнитного поля на отдельных участках периметра. Отсутст­
вие адекватных математических моделей не позволяет определить
оптимальную конструкцию и оптимальное пространственное разме­
щение переотражателя между антеннами передатчика и приемника
уже на этапе проектирования.
Существующие модели в недостаточной степени учитывают ха­
рактер сложных амплитудно-фазовых распределений поля у поверх­
ности переотражателя, а имеющие место упрощения вступают в про­
тиворечие с условиями эксплуатации переотражателя в составе сис­
темы охраны периметров. Эта проблема является узловой в проекти­
ровании, поскольку ошибка в исходных положениях зачастую не
может быть далее исправлена путем совершенствования отдельных
компонентов.
В диссертационной работе предлагается подход к решению задач
оптимизации конструкции и пространственного размещения переот­
ражателя на основе математического моделирования радиолучевой
системы обнаружения с у4етом влияния земной поверхности и край­
них кромок переотражателя, сложного пространственно-распреде­
ленного характера электромагнитного поля у поверхности Земли и
переотражателя.
Во второй главе рассматривается специфика распространения
электромагнитных волн и использования переотражателя в двухпозиционной системе обнаружения. Приводятся разработанная модель
радиолучевой системы обнаружения с переотражателем, оценка
влияния неровностей поверхности Земли и коэффициента отражения
на характеристики электромагнитного поля, модель переотражателя
как пространственно-распределенного объекта, способы определения
моностатической и бистатической характеристик рассеяния переот­
ражателя с учетом вторичной дифракции.
Математическая модель радиолучевой системы обнаружения с
переотражателем строится на основе классического уравнения ра­
диолокации. Однако при этом приемная и передающая антенны, пе­
реотражатель и подстилающая поверхность Земли представляются
как пространственно-распределенные объекты, отдельные фрагмен­
ты которых рассматриваются как самостоятельные и имеющие свои
геометрические, физические и амплитудно-фазовые характеристики.
Разработанная модель в соответствии с методом геометрической
оптики учитывает эффективную поверхность рассеяния (ЭПР) пере­
отражателя для каждого луча (составляющей электромагнитного
поля) как для отраженного от поверхности Земли, так и для распро­
страняющегося напрямую от антенны передатчика А^ к антенне
приемника /Ij > отражаясь только от поверхности Р переотражателя
(рис. 1).
Рис 1 Двухпозиционная система с ретрансляцией сигнала
Можно выделить четыре составляющие, создающие в приемной
точке электромагнитное поле при сильном влиянии поверхности
Земли и проходящие через каждую точку поверхности переотража­
теля: луч, проходящий участки «передатчик-переотражатель» и
«переотражатель-приемник» напрямую без отражений от Земли; луч,
проходящий участок «передатчик-переотражатель» напрямую без
отражений от Земли, а участок «переотражатель-приемник» с отра­
жением от Земли; луч, проходящий участок «передатчик-переот­
ражатель» с отражением от Земли, а участок «переотражательприемник» напрямую без отражений от Земли; луч, проходящий оба
участка с отражением от Земли. Каждая из перечисленных состав-
ляющих определяется множителем распространения волны вдоль
соответствующего луча с учетом характеристик передающей антен­
ны и поверхности Земли.
Уровень мощности на входе приемника радиолучевой системы
обнаружения с переотражателем при этом определится выражением
^2' = 5 ^ Г Т | ( ^ 0 > 0 1 + ^ > j F o „ p „ +(Fo>o,i),,p,e-^"^ +
(47tXr, Г2
где /■ 1, ''2 - расстояние от антенны передатчика до переотражателя и
расстояние от переотражателя до антенны приемника соответствен­
но; D^2 ~ коэффициент, учитывающий форму поверхности Земли на
участке «переотражатель-приемник»; а2 = Ф2 + Рг; Рг "~ разность фаз
«прямой» и отраженной волн на участке «переотражательприемник»; Р2, Ф2 ~ модуль и фаза комплексного коэффициента от­
ражения от подстилающей поверхности на участке «переотражательприемник»; /^опрм -множитель нормированной диаграммы направ­
ленности (ДН) приемной антенны в направлении на текущую точку
переотражателя; F^np„ -множитель нормированной ДН приемной
антенны в направлении на текущую точку поверхности Земли; сТо,,
ст,, - эффективные поверхности рассеяния (ЭПР) переотражателя
для прямого и отраженного от поверхности Земли лучей соответст­
венно; F J , , F^', - соответственно множители распространения волны
вдоль «прямого» и отраженного от Земли луча на участке «передат­
чик-переотражатель». Причем
где F^ „рд - множитель нормированной ДН антенны передатчика в
направлении на текущую точку поверхности Земли; Z)^, - коэффи­
циент, учитывающий форму поверхности Земли на участке «пере­
датчик-переотражатель»; Р2 -модуль комплексного коэффициента
отражения от подстилающей поверхности на участке «передатчикпереотражатель» .
10
Коэффициент ретрансляции К^, характеризующий снижение
уровня сигнала на входе приемника при переходе от прямой переда­
чи сигнала к его ретрансляции переотражателем, определяется при
этом выражением:
Р'
г?
Pi
47t r^ r^
znpM
где Pi — мощность на входе приемника радиолучевой системы обна­
ружения, не использующей переотражатель; Гц -расстояние между
антеннами передатчика и приемника; F - интерференционный мно­
житель системы при соответствующем размещении на местности;
знаки « ± » выбираются при горизонтальной или вертикальной поля­
ризации соответственно.
Для нахождения разности фаз р,, Р2, обусловленной различием
длин путей 5 «прямой» и «непрямой» волн, используется выражение
2п6
Р=
причем для радиолучевых систем без переотражателя
справедлива формула
5=
/г,дЬ
К^
Л
^1^0
+ Л, +.
N2
•V'o^+(^i -^if ^
h-^j
где А 1 , /г 2 - высоты подъема передающей и приемной антенн сис­
темы над поверхностью Земли.
Для радиолучевых систем с применением переотражателя на уча­
стке «передатчик-переотражатель» 5 определяется по выражению
5=.
iiy-y\Y + г.
/г, +л:,
(Л,+х,)' +
tge„C0S9,i
к +х.
\2-
tgei,cos9,J
11
+ {x + h^Y -л1х^ +у^ +г{^,
где X , у - значения координат текущей точки по поверхности пере­
отражателя в декартовой системе координат; xj,>'i-координаты
центра апертуры передающей антенны; /jj, h^ - соответственно вы­
соты подъема центра апертуры передающей антенны и переотража­
теля над поверхностью Земли; Эц , Фи -углы соответственно в вер­
тикальной и горизонтальной плоскостях, задающие направление из
центра апертуры передающей антенны на текущую точку переотра­
жателя.
Для определения 8 радиолучевых систем с применением переот­
ражателя на участке «переотражатель-приемник» целесообразно ис­
пользовать следующее полученное выражение:
^ h+^i
^ + {h2+x^Y -{{xj-xf
tge,2COS9,J
+{y^-yigis?^f +{r^~ryY +
tge,2COS9i2
+ {xj+hjf
,
где X2, У2 ~координаты центра апертуры приемной антенны;
h^ - высота подъема центра апертуры приемной антенны над по­
верхностью Земли; 9i2, Ф12 -углы соответственно в вертикальной
и горизонтальной плоскостях, задающие направление из текущей
точки переотражателя на центр апертуры приемника.
Представление переотражателя как пространственно-распределен­
ного объекта осуществляется с помощью дискретизации его поверх­
ности с учетом амплитуд и фаз каждого дискретного элемента, а
также с применением метода краевых волн физической теории ди­
фракции и апертурного метода.
При выборе в качестве дискретного элемента поверхности пере­
отражателя электрического диполя Герца комплексная напряжен­
ность рассеянного электромагнитного поля в горизонтальной плос­
кости определится как
Е,.= —^ ^
'
^со5[ф {у^^ )\е
H t,=1
l " '1,Уоу
KJO/)
''"V
12
dy,
где Пу - количество диполей длиной dy, укладывающихся в гори­
зонтальном линейном размере L^ переотражателя; L^^ - вертикаль­
ный линейный размер переотражателя; riy^j) -расстояние от цен­
тра диполя с координатой y^j до точки приемной апертуры; к волновое число. В этом случае ЭПР переотражателя в горизонталь­
ной плоскости равна
^v
=
AnLt
''
n;x' V
J='
jj:cos'[?'iyo,)y''"''dy
;
При использовании в качестве дискретного элемента поверхности
переотражателя элемента Гюйгенса напряженность рассеянного
электромагнитного поля в горизонтальной плоскости равна
■
4
\^ ^Оу (УО; ) J 1 + С08[ф'(>'оу )]]
-Ау(УОу)
j-^y
Н т з ' fy(yoj)
dy.
где Пу - количество элементов Гюйгенса длиной dy, укладываю­
щихся в линейном размере L^ переотражателя, В этом случае ЭПР
переотражателя в горизонтальной плоскости равна
г
1 -Jkr^(yoj)
4nLl ^ [ 1 + сов[ф'(;^о,)]]
dy
^ С05[ф(Уо^)]<
^ ^ ^ ^ 2^
J=l
Однако эти модели, отличаясь достаточно малыми временными
затратами на вычисление, в ряде практических случаев не позволяют
получить достаточно точный результат, поэтому в этих случаях це­
лесообразно использовать другой подход, предполагающий умень­
шение размеров дискретного элемента до точки с координатами по
вертикальной и горизонтальной плоскостям переотражателя соответ­
ственно х', у'. Тогда аналогично выражениям, определяющим ЭПР
путем суммирования полей элементарных диполей Герца или эле­
ментов Гюйгенса, в горизонтальной плоскости переотражателя ЭПР
определится как:
2
Уг
%Li J Jcos^[e(y)]. - У И / ) dy'
"Уг
13
где r(y') - расстояние от точки с координатой у' (центра электриче­
ского диполя Герца) до точки приемной апертуры, или выражением
^> =
4nLl
X'
м
1+С08ф''Л
г
cos(p е
JK
~7«'и J
I
ay
где г -расстояние от
точки с координатой у' (центра элемента Гюйгенса) до точки при­
емной апертуры.
Выбор расчетного выражения обусловлен допустимыми значе­
ниями проекций ф', 6' соответственно на горизонтальную и верти­
кальную плоскости моностатического угла, а также заданными точ­
ностью и машинным временем вычислений. Моностатический угол
задается нормалью и направлением падения волны в случае, когда
оно совпадает с направлением отраженной волны. Моностатический
режим работы переотражателя используется для качественного пере­
крытия зоной обнаружения стыка периметра объекта со зданием
(либо в иных случаях, когда невозможно установить приемную часть
системы напротив передатчика).
Бистатический характер рассеяния переотражателя зависит от ве­
личины бистатического угла, который задается направлениями паде­
ния и отражения волны относительно нормали к поверхности пере­
отражателя и определяется линейным изменением фазы электромаг­
нитного поля вблизи поверхности переотражателя. Наилучшее при­
ближение полученных функций к функции, вычисленной по строгим
рядам и приведенной в работе П. Я . Уфимцева «Метод краевых волн
в физической теории дифракции», задается следующими признаками
соответствия: минимальным уровнем бокового излучения; мини­
мальным значением ширины ДН на уровне половинной мощности;
соответствием максимума главного лепестка ДН углу падения вол­
ны; минимальным значением функции при углах падения и отраже­
ния, близких к —.
2
Так, при переходе от моностатического рассеяния к бистатическому получим
ст„ =
AnLl
je
jURV.
f 1 + cos(o; - Ф')^,д„(ф,^
ч
14
ф>)^-Л*/[^т(ф'Ь.п(Ф;,тд,^.,|
где Фо , Ф ' - соответственно углы падения и отражения в горизон­
тальной плоскости относительно нормали в центре переотражателя.
Выбор способа определения ЭПР зависит от углов падения и от­
ражения волны, от близости размещения переотражателя к передат­
чику (или приемнику) и является оптимизационной задачей по сле­
дующим противоречащим друг другу критериям: точность и машин­
ное время вычисления.
В работе проведены численные эксперименты с использованием
предложенных математических моделей, и даны рекомендации по
использованию полученных расчетных выражений. Кроме того, было
получено выражение, позволяющее достигнуть наилучших результа­
тов при больших углах падения волны на переотражатель в горизон­
тальной плоскости:
47111
""у-
л - / _, Уг-У
''^1 + соз(ф'о-Ф')
/.,
_ л -'' Ып(Фо)
I
i_u
^со8(Фо -Ф)е
51п(ф')
2
dy'
где ^ 1 , У2 - соответственно коор­
динаты центров апертур антенн
передатчика и приемника в гори­
зонтальной плоскости; Ф^ , Ф' соответственно углы падения и
отражения волны в горизонталь­
ной плоскости относительно нор­
мали в центре переотражателя.
На рис. 2 приведены результа­
ты расчетов по последним двум
выражениям (кривые 1, 2 соответ­
ственно) в сравнении с общепри­
нятым подходом в приближении
физической оптики (кривая 5).
Рис 2 Бистатические характеристики
Вклад крайних кромок переот­
рассеяния переотражателя
ражателя в общее рассеянное поле
определялся на основе метода краевых волн физической теории ди­
фракции с использованием математических выражений, полученных
15
п. я . Уфимцевым для нахождения поля, рассеянного краями беско­
нечно тонкой и длинной, идеально проводящей ленты с учетом вто­
ричной дифракции. При этом дифракция от края заменяется рассея­
нием от соответствующего бесконечно длинного клина. Отличитель­
ной особенностью предложенного подхода является то, что в качест­
ве выражений, описывающих комплексную напряженность поля, об­
разованного центральной частью поверхности переотражателя без
учета влияния его крайних кромок применяются выражения, исполь­
зующие суммирование или интегрирование по поверхности переот­
ражателя, которая представлена набором из дискретных элементов
(элементарных источников), а комплексная напряженность поля, об­
разованного крайними кромками переотражателя, определяется как
суперпозиция напряженности полей от каждого края переотражателя
с учетом вторичной дифракции.
В третьей главе предложена математическая модель распростра­
нения электромагнитных волн в радиолучевой системе обнаружения,
позволяющая определить структуру электромагнитного поля, необ­
ходимую для оптимизации конструкции и пространственного разме­
щения переотражателя. Получены выражения, определяющие разме­
ры дальней зоны распространения сигнала радиолучевой системы
обнаружения, и обоснован шаг дискретизации рассматриваемой
плоскости пространства для вычисления характеристик электромаг­
нитного поля. Дана оценка влияния структуры электромагнитного
поля вблизи поверхности переотражателя на характеристики его рас­
сеяния, проведен сравнительный анализ полученных результатов с
известными. Предложены критерий оптимизации геометрических
размеров плоского прямоугольного переотражателя электромагнит­
ных волн, методика, алгоритм и условие выбора его пространствен­
ного размещения в радиолучевой системе обнаружения.
Структура электромагнитного поля, создаваемого передающей
антенной, определяется путем представления апертуры в виде отвер­
стия соответствующих размеров в бесконечном непрозрачном экра­
не, непосредственно за поверхностью которого электромагнитное
поле отсутствует, т. е. напряженность поля и производная по внут­
ренней нормали к этой поверхности интегрирования равны нулю:
£ „ = 0 ; ^ = 0.
on
16
Учитывая условия дальней зоны, граничные условия для каждой
точки поверхности отверстия, кроме точек, находящихся в непосред­
ственной близости к его краю, и интегрируя по поверхности W вол­
нового фронта, получим напряженность поля в рассматриваемой
точке Р пространства за отверстием:
К = -~
| — ( 1 + x)dS - ^
4п J S
An J s
W
\^cos(x)dS,
As
где 5 - расстояние от текущей точки отверстия с поверхностью А^
до рассматриваемой точки пространства; х ~ )1^ол между направле­
нием на точку приема и внешней нормалью к поверхности отверстия;
А - постоянная величина.
Численные расчеты, проведенные с использованием этого выраА се''"
женил, показали, что вклад компоненты — —г-cos(x)<^»S' в общее
4п у S
поле излучения ничтожно мал и можно принять
4п^ S
Перейдя к интегрированию по поверхности S апертуры пере­
дающей антенны и учитывая влияние земной поверхности с помо­
щью интерференционного множителя, получим напряженность поля
в рассматриваемой точке пространства:
ik
г
E^—\Es
4n J
р'''"'''
F^ F,
^
ik
г
dS + ~\Es
KQ
4n ^
p-'(*'i+P,)
F^ F,,pD,
*
r,
dS,
где r^, KQ - пути, пройденные волной с учетом и без учета отражения
от Земли соответствершо; D^ - коэффициент, характеризующий фор­
му земной поверхности; р - модуль комплексного коэффициента
отражения от Земли; р^ - фаза комплексного коэффициента отраже­
ния от Земли; F^, F^-^ - множители нормированной диаграммы на­
правленности антенны в направлении на рассматриваемую точку
пространства и в направлении точки земной поверхности; F^ , F^, множители нормированной характеристики направленности элемен-
17
та Гюйгенса в направлении на рассматриваемую точку пространства
и в направлении точки земной поверхности соответственно.
Амплитудное и фазовое распределение электромагнитного поля
определяется в сечении, перпендикулярном распространению волны
между передатчиком и приемником, по выражениям:
Imte)
1^1 = ^lm(Ef + Ке(ЁУ , ф = arctg
Ке{Е}
+С
где С - константа, необходимая для соблюдения условия положи­
тельного обхода фазы.
Существенная неравномерность амплитуды в пределах первой зо­
ны Френеля, возникающая из-за сильного влияния земной поверхно­
сти, подтверждается численными экспериментами, проведенными с
использованием предложенной математической модели. Её приме­
нение позволяет также определить участки поверхности переотража­
теля вне первой зоны Френеля, где фаза изменяется на п, что значи­
тельно влияет на уровень сигнала в приемнике.
С применением приближения Кирхгофа получены выражения,
определяющие влияние структуры электромагнитного поля с учетом
его векторного характера вблизи поверхности переотражателя на ха­
рактеристики его рассеяния. Отличительной особенностью предла­
гаемого подхода является применение численного метода с исполь­
зованием интегрального оператора, связывающего распределение
поля с характеристикой рассеяния переотражателя.
Проведенные расчеты показали существенное отличие характери­
стики рассеяния переотражателя, определяемой по предложенной
модели, от характеристики, сформированной равноамплитудным
распределением его поверхности, характерным для расположения
переотражателя в дальней зоне излучения передающей антенны, что
указывает на необходимость ее использования в проектировании ра­
диолучевых систем обнаружения.
Предложен критерий оптимизации геометрических размеров пе­
реотражателя, основанной на исследовании тенденций роста коэф­
фициента ретрансляции К^ и изменении его максимально допусти­
мой относительной пульсации А^,, с изменением линейного размера
переотражателя в соответствующей плоскости. Оптимизация прово­
дится с применением известного градиентного метода и использова18
нием математической модели радиолучевой системы обнаружения с
переотражателем.
При оптимизации конструкции переотражателя его размеры целе­
сообразно выбирать не превышающими размеры первой зоны Фре­
неля, что соответствует отсутствию переменно-фазных участков и
обеспечивает достаточно высокий уровень сигнала в приемнике при
минимальных размерах переотражателя.
В качестве критерия оптимизации предлагается достижение мак­
симального уровня поля в приемнике P-maxP{L^,Ly) при макси­
мально допустимом уровне его пульсации, выполнение которого по­
зволяет определить оптимальные геометрические размеры переотра­
жателя, дальнейшее увеличение которых не приводит к существен­
ному росту уровня сигнала в приемнике. Критерий оптимизации вы­
полняется при достижении следующих условий:
- первой точки перегиба зависимости величины К^ от линейного
размера переотражателя;
-значения максимально допустимой пульсации АК^ коэффи­
циента ретрансляции при изменении линейного размера переотража­
теля в соответствующей плоскости;
- отсутствия переменно-фазных участков при перемещении от
центра фазовой картины в рассматриваемой плоскости пространства
в сторону увеличения линейного размера переотражателя.
Изменение пространственного размещения переотражателя отно­
сительно передающей, приемной антенн и поверхности Земли суще­
ственно влияет на эффективность ретрансляции сигнала. Выбор вза­
имного пространственного положения переофажателя и апертур пе­
редающей, приемной антенн производится исходя из достижения
равенства коэффициента ретрансляции единице: К^(г^,Г2) = \, что
соответствует уровню сигнала в системе без переотражателя.
При этом осуществляется перебор возможных вариантов простран­
ственного размещения переотражателя, апертур передающей и прием­
ной антенн и определяются такие значения переменных, при которых
обеспечивается условие ЛГДг, ,Г2) = 1. Ввод дополнительных перемен­
ных и соответствующих им циклов при расчете коэффициента
ретрансляции позволяет учесть большее число факторов, влияющих на
работу системы. С другой стороны, увеличение числа переменных и
19
циклов расчета приводит к значительному росту времени вычислений
и усложнению алгоритма определения пространственного положения
переотражателя и апертур передающей, приемной антенн.
В четвертой главе представлены результаты исследования и оп­
тимизации переотражателя периметровои системы радиолучевого
типа РЛД 94 УМ-150-18-П с использованием разработанных моде­
лей, алгоритмов и критерия оптимизации. Приведены рекомендации
по изготовлению оптимальной конструкции переотражателя и его
пространственному размещению относительно апертур передающей,
приемной антенн, а также поверхности Земли. Выполнение этих ре­
комендаций позволяет повысить эффективность радиолучевой сис­
темы охраны периметра объекта.
В приложении приведены документы, подтверждающие внедре­
ние результатов работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В диссертации решена важная прикладная задача математическо­
го моделирования переотражателей электромагнитных волн, функ­
ционирующих в составе радиолучевой системы обнаружения, опти­
мизации их геометрических размеров и пространственного размеще­
ния при работе в конкретных условиях эксплуатации.
1. Проведено моделирование радиолучевой системы обнаружения
с переотражателем, позволяющее определить коэффициент ретранс­
ляции переотражателя в составе этой системы с учетом влияния по­
верхности Земли, представленной как пространственно-распределен­
ный объект, что позволило учесть сложную амплитудно-фазовую
структуру поля у поверхности переотражателя.
2. Получена пространственно-распределенная математическая мо­
дель переотражателя, позволяющая определить характеристики рас­
сеяния плоского прямоугольного переотражателя с учетом вторич­
ной дифракции для расширенного интервала углов падения, включая
углы, близкие к 90°.
3. Разработана математическая модель распространения электро­
магнитных волн в радиолучевой системе обнаружения, позволяющая
определить размеры первой зоны Френеля по характеру фазовой кар­
тины поля в рассматриваемой плоскости пространства, необходимые
для определения оптимальных геометрических размеров переотра­
жателя.
20
4. Предложены критерий выбора оптимальных геометрических
размеров переотражателя и условие его пространственного размеще­
ния относительно поверхности Земли, антенн передатчика и прием­
ника радиолучевой системы обнаружения. На основе результатов
численных экспериментов, проведенных с использованием разрабо­
танных математических моделей, определены оптимальные геомет­
рические размеры переотражателя и выбрано место его установки,
обеспечивающее уровень сигнала, как в системе без переотражателя.
5. Представлены методика и алгоритмы, позволившие решить зада­
чи оптимизации геометрических размеров и выбора пространственно­
го размещения плоского прямоугольного переотражателя в реально
действующей системе охраны периметров Р Л Д 94 УМ-150-18-П.
Использование разработанных математических моделей, методик
и алгоритмов позволяет сократить затраты на проектирование конст­
рукций переотражателей и системы обнаружения в целом, а также
снизить её эксплуатационные расходы.
Результаты
диссертационной работы
имеют
практическое
значение. Это подтверждается их внедрением в Д Г У П Н И К И Р Э Т
Ф Г У П « С Н П О «Элерон» (г. Заречный, Пензенская область), а также
в учебный процесс кафедры «Конструирование и производство ра­
диоаппаратуры» Пензенского государственного университета при
подготовке студентов специальности «Проектирование и технология
радиоэлектронных средств».
П У Б Л И К А Ц И И ПО Т Е М Е Д И С С Е Р Т А Ц И И
1. Андреев П. Г. Математическое моделирование отражателя электро­
магнитных волн I П. Г Андреев, А. Н Якгшов II Информационные техноло­
гии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн. Г^^П «ВИМИ» 2 0 0 0 . - № 4 - С . 63-^4.
2. Андреев П Г. Исследование пассивной антенны радиолинии связи /
П. Г. Андреев, А. Н. Андреев, А. Н. Якимов II Надежность и качество: Кн. тр.
Междунар. симп. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - С. 196.
Ъ. Андреев П Г. Моделирование перенаправления сигнала радиолинии
связи с учетом отражений от земной поверхности / П. Г. Андреев, А. Н. Яки­
мов II Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. - Пенза: Инф.-изд.
центр ИГУ, 2001. - С. 206-207.
4. Андреев П Г. Пассивная ретрансляция электромагнитных полей пло­
ским отражателем с учетом влияния подстилающей поверхности // Надеж-
21
ность и качество: Тр. Междунар. симп. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ,
2002.-С. 199-200.
5. Андреев П. Г. Математическое моделирование и численные методы в
проектировании периметровых систем охраны радиолучевого типа с отра­
жателем I П Г Андреев, Т В Андреева II Надежность и качество: Тр. Меж­
дунар. симп. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2004. - С. 146-148.
6. Андреев П. Г. Определение влияния краевых эффектов на бистатическую индикатрису рассеяния отражателя электромагнитных волн // Надеж­
ность и качество: Тр. Междунар. симп. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ,
2005.-С. 158-161.
7. Андреев П. Г. Применение численных методов в проектировании ох­
ранных систем / П. Г. Андреев, Т. В. Андреева II Современные охранные
технологии и средства обеспечения безопасности объектов: Материалы V
Всерос. науч.-техн. конф. (Россия, Пенза-Заречный, 18-20 мая 2004 г.) Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2004. - С . 143-146.
8. Андреев П Г. Повышение эффективности радиотехнических систем за
счет использования пассивных отражателей // Актуальные проблемы науки
и образования: Тр. Междунар. юбил. симп. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ,
2003.-Т. 2.-С. 320-323.
9. Андреев П. Г. Влияние размеров пассивной антенны на величину при­
нимаемого сигнала // Цифровые модели в проектировании и производстве
РЭС; Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2001. - Вып. 11.
С. 64-68.
10. Андреев П Г. Определение размеров существенной области распро­
странения электромагнитных волн в радиолинии связи аналитическим ме­
тодом IП Г. Андреев, А Н Якимов II Цифровые модели в проектировании и
производстве РЭС: Межвуз. сб науч. тр. - Пенза' Инф.-изд. центр ПГУ,
2001.-Вып. 11.-С. 111-115.
11. Андреев П. Г. Исследование отражающих свойств земной поверхно­
сти // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб.
науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - Вып. 12. - С. 30-35.
12. Андреев П. Г. Исследование ретрансляции сигнала радиолинии связи
переотражателем на фоне отражений от земной поверхности / П. Г. Андреев,
А. Н. Якимов II Современные проблемы создания и эксплуатации радиотех­
нических систем: Тр. Третьей Всерос, науч.-практ. конф. - Ульяновск, 2001. С. 38-40.
13. Андреев П. Г. Исследование зон потенциального пропуска целей в
системе обнаружения радиолучевого типа I П Г Андреев, А Н Якимов II
Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. тр. - Красноярск:
ИПЦ КГТУ, 2001. - Ч. 1. - С. 58-59.
22
\А. АндреевП Г. Особенности пассивной ретрансляции электромагнит­
ных полей плоскими и уголковыми двугранными отражателями на призем­
ных участках двухпозиционных радиолучевых средств обнаружения /
П. Г. Андреев, А. Н. Якимов II Проблемы объектовой охраны: Сб. науч. тр. Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - Вып. 3. - С. 23-34.
\5. Андреев П. Г. Адекватность математических моделей периметровой
системы обнаружения с отражателем // Проблемы объектовой охраны:
Сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2004. - Вып. 4. - С. 41-44.
16. Андреев П Г Анализ методов синтеза антенн сверхвысоких частот /
П Г Андреев, А Н Якимов II Актуальные проблемы анализа и обеспечения
надежности и качества приборов, устройств и систем: Сб. докл. науч. конф. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1998. - С. 256-257.
М.Андреев П. Г. Сочетание аналитических и численных методов в син­
тезе антенн / П. Г. Андреев, А. Н. Якимов // Современные проблемы радио­
электроники: Сб. науч. тр. Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф.
молодых ученых и студентов, посвященной 103-й годовщине Дня радио. Красноярск: КГТУ, 1998. - С. 119.
IS. Андреев П. Г. Математическое моделирование распространения ра­
диоволн в системе обнаружения радиолучевого типа I П Г. Андреев,
Ю. А. Оленин, А. Н Якимов II Технические средства охраны, комплексы ох­
ранной сигнализации и системы управления доступом: Тез. докл. Третьей
Всерос. науч.-практ. конф. (Россия, г. Заречный, Пензенская область,
10-12 октября 2000 г.). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - С. 103-106.
19. Андреев П Г. Оптимизация геометрических размеров переотражате­
лей периметровых систем обнаружения радиолучевого типа IП Г. Андреев,
А. Н. Якимов II Технические средства охраны, комплексы охранной сигна­
лизации и системы управления доступом: Тез. докл. Третьей Всерос. науч.практ. конф. (Россия, г. Заречный, Пензенская область, 10-12 октября
2000 г.). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - С. 106-109.
20. Андреев П. Г. Оптимизация размеров отражателя при ретрансляции
сигнала на фоне отражений от земной поверхности I П. Г. Андреев,
А. Н. Якимов II Современные охранные технологии и средства обеспечения
комплексной безопасности объектов: Тез. докл. Третьей Всерос. науч.практ. конф. (Россия, г. Заречный, Пензенская область, 21-23 мая 2002 г.). Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002. - С. 145-147.
21. Андреев П Г. Влияние антенны на формирование сигнала в системе
обнаружения радиолучевого типа I П Г. Андреев, А. Н. Якимов II Современ­
ные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности
объектов: Тез. докл. Третьей Всерос. науч.-практ. конф. (Россия, г. Заречный,
Пензенская область, 21-23 мая 2002 г.). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та,
2002.-С. 162-164.
Андреев Павел Геннадьевич
Моделирование переотражателей
радиолучевых систем обнаружения
Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ
Редактор О. Ю. Ещина
Технический редактор Я А. Въяпкова
Корректор С Н Сухова
Компьютерная верстка С. П. Черновой
ИД № 06494 от 26.12.01
Сдано в производство 28.09 05. Формат 60х84у16
Бумага писчая Печать офсетная. Усл. печ л. 1,16.
Заказ № 588. Тираж 100.
Издательство Пензенского государственного университета
440026, Пенза, Красная, 40.
^
IS2Q
'
l a
РНБ Русский фонд
2006-4
19506
rf"
^ff^*****^
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 077 Кб
Теги
bd000100143
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа